不同斷面形式深埋巷道圍巖破壞數(shù)值模擬分析

馮海英,劉德乾,趙鵬燕

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038）

隨著我國煤礦礦井開采深度的增加,原巖應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力不斷升高,巖體穩(wěn)定性差、工程地質(zhì)條件復(fù)雜,巷道圍巖變形量顯著增大、變形速度快,巷道返修率高,因此,掌握深部巷道圍巖破壞機理及影響因素,解決深部巷道支護(hù)設(shè)計中存在的諸多問題,尋求合理的支護(hù)設(shè)計理論與方法,無論對工程設(shè)計還是工程施工都具有重要的指導(dǎo)意義[1～2]。影響深部巷道圍巖穩(wěn)定的因素很多,其中巷道圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、巷道埋深、巷道斷面形式是使圍巖失穩(wěn)的主要因素[3～5],劉文清[6]論述了巷道斷面的確定過程,從施工、使用這兩個方面確定了巷道斷面的造型及尺寸;周小平[7]運用有限元軟件,對各類拱形深埋單軌和雙軌巷道進(jìn)行了數(shù)值分析,分析結(jié)果表明單軌巷道宜采用1/4圓拱斷面,雙軌巷道宜采用1/4圓拱或三心拱斷面。

淺埋巷道構(gòu)造應(yīng)力的影響很小,可以只考慮自重應(yīng)力,隨著巷道埋深的增加,構(gòu)造應(yīng)力在地應(yīng)力中的比重逐漸增大,因此,深埋巷道必須要考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響,羅文超[8]基于淮南礦務(wù)局潘一礦的水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果及圍巖應(yīng)力分布特征的研究,認(rèn)為深埋巷道圍巖應(yīng)力分布特征與傳統(tǒng)的淺埋巷道差別明顯;孫玉福[9]采用理論分析方法研究了巷道布置與地應(yīng)力場的關(guān)系,利用數(shù)值模方法分析了不同的巷道軸線與最大水平主應(yīng)力夾角情況時,巷道圍巖應(yīng)力分布與變形特征,并通過實際工程地應(yīng)力測量,驗證了理論分析的正確性。本文在考慮構(gòu)造應(yīng)力作用下,利用有限差分軟件FLAC對不同埋深作用下不同斷面形式巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變特性及塑性區(qū)分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析,從而總結(jié)各斷面形式巷道的圍巖應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和圍巖破壞范圍的大小,從而為工程設(shè)計及施工提供指導(dǎo)。

1 巷道深、淺埋分界線的確定

1.1 圍巖壓力的計算

礦山法是根據(jù)大量的隧（巷）道施工塌方資料進(jìn)行統(tǒng)計分析,提出了一種確定隧（巷）道圍巖豎向均布壓力線:

式中,q—圍巖豎向均布壓力,kN/m2;s—圍巖級別;B—巷道寬度;i—以B每增加1m時圍巖應(yīng)力增加率;r—圍巖重度,kN/m3。

1.2 荷載等效深度

式中q—用礦山法計算出的圍巖豎向壓力,kN/m2。

1.3 淺、深埋隧（巷）道分界深度

采用礦山法施工時,Ⅵ～Ⅴ圍巖取Hp=2.5 hp,Ⅰ～Ⅲ級圍巖取 Hp=2hp。

2 構(gòu)造應(yīng)力的確定

對于深埋巷道,只考慮自重應(yīng)力的影響,與實際情況并不相符。目前,巖體的構(gòu)造應(yīng)力尚無法用數(shù)學(xué)力學(xué)的方法計算描述,而只能采用現(xiàn)場測量的方法得到,蔡美峰等[10]根據(jù)對新城金礦地應(yīng)力的測試結(jié)果擬合出地應(yīng)力的近似計算公式如下:

（1）250 m以上地應(yīng)力計算公式

（2）250 m以下地應(yīng)力計算公式

式中 σhmax—最大水平主應(yīng)力;σhmin—最小水平主應(yīng)力;σv—垂直應(yīng)力;H—測點埋深。

3 計算模型及參數(shù)選取

本文算例以Ⅲ級圍巖進(jìn)行計算分析,對不同埋深下不同巷道斷面形式的圍巖應(yīng)力、圍巖變形及圍巖塑性狀態(tài)進(jìn)行分析,得出不同埋深下不同斷面形式巷道的應(yīng)力及變形特性,以期為巷道的設(shè)計及施工提供指導(dǎo)。以Ⅲ級圍巖為例,根據(jù)礦山法可計算深、淺埋分界深度:Hp=19.44 m,所以巷道埋深超過20 m,即可認(rèn)為為深埋巷道。為便于比較,取3種斷面形式的巷道等效寬度B=3.5 m,斷面形式及尺寸如圖1所示。根據(jù)實際的工程地質(zhì)情況,所選巷道模型兩側(cè)限制x方向位移,底部限制x和y方向上的位移,埋深超過25 m時,以荷載模擬上部巖層作用到模型頂部,所選力學(xué)計算模型如圖2所示,作用在模型頂部上的荷載如表1所示。為了對比不同斷面形式在不同埋深下的應(yīng)力應(yīng)變特性,去除其它因素的影響,應(yīng)選取單一材料參數(shù),其材料參數(shù)見表2。

表1 巷道不同埋深時作用在模型頂部的荷載Tab.1 Different buried depth of tunnel the load at the top of the model

表2 Ⅲ級圍巖計算模型材料參數(shù)Tab.2 Madel material parameters of class III surrounding rock

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 圍巖應(yīng)力分析

不同斷面形式的巷道在不同埋深下圍巖的最大水平應(yīng)力如圖3所示。由圖可知,拱形和矩形巷道斷面由于有尖角存在,易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得水平應(yīng)力值要高于圓形斷面巷道圍巖水平應(yīng)力值,矩形、拱形和圓形斷面巷道的最大水平應(yīng)力分別為7 MPa、7MPa和5MPa,圓形斷面巷道最大水平應(yīng)力約為矩形或拱形巷道最大水平應(yīng)力的71%,并且拱形和矩形斷面巷道在不同埋深時的最大水平應(yīng)力值幾乎一樣,所不同的是,矩形巷道最大水平應(yīng)力在四個邊角分布,而拱形巷道的最大水平應(yīng)力分布在直墻的兩個底角處。

對于不同斷面形式的巷道,雖然最大水平應(yīng)力隨斷面形式的不同而不同,但是最大豎向應(yīng)力的分布與巷道斷面形式關(guān)系不大,這一點正好與構(gòu)造應(yīng)力主要影響圍巖水平向應(yīng)力的原理相一致,圖4為不同斷面巷道圍巖的最大豎向應(yīng)力,其最大豎向應(yīng)力約為20 MPa。

4.2 圍巖位移分析

圖5為不同斷面形式的巷道兩幫的位移隨埋深的變化,分析不同斷面巷道水平位移隨埋深的變化曲線可知:（1）巷道兩幫水平位移隨埋深的增加而增大,但是不同斷面巷道增加的幅度不同,其中矩形斷面巷道增幅最大,拱形斷面增加幅度最小,圓形巷道居中;（2）同一埋深情況下,矩形斷面巷道圍巖豎向位移最大,拱形最小,圓形居中,以埋深200 m為例,矩形巷道圍巖最大豎向位移為50 mm,圓形巷道圍巖最大豎向位移為20 mm,拱形斷面巷道圍巖最大豎向位移只有10 mm,僅是矩形斷面巷道的1/5,由于拱形巷道頂板可形成拱的作用,兩側(cè)直墻具有支撐作用,所以其豎向位移最小,從豎向變形角度考慮,巷道選擇拱形斷面較好。

拱形斷面巷道由于直墻的存在,大大降低了豎向位移量,但是與此同時巷道的水平位移增大,如圖6,拱形斷面與矩形斷面的最大水平位移基本相同,圓形斷面巷道圍巖水平位移最小。矩形或拱形斷面巷道圍巖最大水平位移均為20mm,圓形巷道斷面圍巖最大水平位移為7.5 mm,而且矩形和拱形斷面水平位移增加幅度要比圓形斷面巷道大得多。

4.3 圍巖破壞狀態(tài)分析

圖7為不同斷面巷道在埋深400 m時的圍巖塑性狀態(tài)分布,分析圍巖塑性區(qū)分布可得,矩形斷面巷道圍巖塑性屈服區(qū)域最大（包括受拉屈服和和受剪屈服）,在巷道周邊均有分布,拱形巷道圍巖破壞區(qū)域最小,圓形斷面巷道圍巖塑性區(qū)破壞區(qū)居中,且主要為受剪破壞。并且各斷面圍巖塑性區(qū)均隨埋深的增加而增大,表3列出了埋深400 m時不同斷面形式巷道圍巖的塑性區(qū)破壞深度。

表3 不同斷面形式巷道圍巖塑性區(qū)深度Tab.3 Different sections of roadway surrounding rock plastic zone depth m

5 結(jié)論

1）對于深埋巷道,巷道圍巖最大豎向應(yīng)力與巷道斷面形式無關(guān),拱形和矩形斷面巷道的最大水平位移均比圓形巷道的大,但隨著埋深的增加,最大水平應(yīng)力增幅越來越小。

2）不同埋深時,不同斷面形式的巷道,圍巖變形不同。矩形斷面巷道無論是兩幫還是頂、底板變形都很大,拱形斷面巷道直墻水平變形較大,但頂板下沉量很小,建議在實際工程中,最好使用直墻半圓拱斷面形式的巷道,但要重點監(jiān)測巷道兩幫的變形,加強兩幫的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3）不同斷面形式巷道圍巖塑性區(qū)分布不同。矩形斷面巷道圍巖塑性區(qū)范圍最大,頂板塑性區(qū)最大深度可達(dá)1.8 m;圓形巷道圍巖多為受剪屈服,而且最大塑性區(qū)深度出現(xiàn)在上幫,約為1.4 m;拱形斷面巷道圍巖塑性區(qū)最小,兩幫的塑性區(qū)較頂、底板偏大。

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